TYPE A菱形液艙整體吊裝有限元分析方法對比

孫 潔， 鄭 雷， 李海洲， 秦 斌

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 上海 201913)

0 引 言

在工程中，吊裝的應(yīng)用范圍廣泛，主要有海上補(bǔ)給、碼頭裝卸貨物、整段合龍、海上作業(yè)等[1-3]。在船舶工業(yè)中，隨著船舶制造業(yè)的發(fā)展，船舶的噸位越來越大，超大、超重的巨型總段吊裝在船舶建造中的應(yīng)用也逐漸普遍?？偠蔚跹b是船舶建造過程中一項(xiàng)重要的工藝，其對擴(kuò)大作業(yè)面、改善工人勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、縮短船舶的建造周期、降低造船成本具有十分重要的意義。為了準(zhǔn)確預(yù)報在總段吊裝過程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況，為吊裝方案的制訂提供理論數(shù)據(jù)支撐，本文對超大型菱形液艙整體吊裝過程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，并對有限元模擬的吊裝靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分析方法進(jìn)行對比研究。

1 液艙有限元模型與吊裝方案

1.1 有限元模型

選用超大型液化氣船84 000 m3VLGC的3號液艙為分析對象，如圖1所示。坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于整船零號肋位基線處。整個液艙長為39.6 m，寬為33.1 m，高為18.77 m，約位于97號～144號肋位之間。網(wǎng)格大小為肋骨間距×縱骨間距，主要結(jié)構(gòu)由殼單元構(gòu)建，左右各布置12個吊耳。材料密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比σ=0.3，許用應(yīng)力[σ]=252MPa。液艙有限元模型與實(shí)際液艙的參數(shù)對比如表1所示，表1中的重心位置的誤差百分比為相較于整個液艙尺寸計算得到的。通過誤差分析發(fā)現(xiàn)模型的重心位置與實(shí)際液艙基本保持一致，質(zhì)量誤差通過調(diào)整重力加速度來消除。

表1 液艙有限元模型與實(shí)際液艙質(zhì)量重心參數(shù)對比

1.2 吊裝方案

吊裝方案如圖2所示，吊索的前后布置關(guān)于121號肋位對稱，根據(jù)液艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，吊索布置左右對稱。在理論上，吊裝方案中的二級平衡系統(tǒng)使得每根吊索上的力都相等；在實(shí)際吊裝過程比較穩(wěn)定的情況下，各個吊索的鉛垂力之和與結(jié)構(gòu)實(shí)際重力相等[4]，但考慮到在實(shí)際吊裝過程中存在的加速度等問題，在計算時采用安全因數(shù)1.2[5]。

圖1 液艙模型

圖2 吊裝方案

2 液艙整體吊裝有限元分析方法

2.1 直接加載法

吊裝有限元分析的模擬方法有很多，常用的有模擬吊索法和直接加載法，研究計算[6]表明，直接加載法能得到較為準(zhǔn)確的變形和應(yīng)力情況。直接加載法是在計算應(yīng)力時直接將吊纜的載荷施加到模型相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，所有載荷的鉛垂力總和與重力保持平衡。在計算應(yīng)變時則直接約束吊碼上相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的吊索方向的位移，計算模型在自重作用下的變形。以直接加載法為例，計算吊裝過程液艙的應(yīng)力應(yīng)變情況。

在MSC Nastran中，基于彈性理論，即使是在平衡力系下，沒有邊界條件也無法計算；而因添加邊界條件所產(chǎn)生的支反力有可能使有限元計算的結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況有所偏差，所以需要控制支反力的大小。將支反力控制在總重的2%以內(nèi)，得到圖3所示的整體應(yīng)力云圖，應(yīng)力分布左右對稱，吊碼附近應(yīng)力值較大，其次為吊碼下方的液艙兩側(cè)，而其他應(yīng)力水平都較低。應(yīng)力最大值為60.8 MPa，位于115號肋位右舷吊碼下方的強(qiáng)框上。圖4為115號肋位橫截面的應(yīng)力云圖。

圖3 液艙應(yīng)力云圖(直接加載法)

圖4 FR 115處的應(yīng)力云圖(直接加載法)

考慮支座安裝精度的要求[7]，本文只分析液艙的外底板變形，如圖5所示。變形基本左右對稱，由于重力的作用，液艙中間區(qū)域的變形較大，最大值為3.02 mm。

圖5 外板變形云圖(直接加載法)

2.2 慣性釋放法

通常作線型靜力分析時需要保證結(jié)構(gòu)沒有剛體位移，所以需要添加邊界條件。吊裝過程是一個全自由狀態(tài)，為消除邊界條件的影響，引入慣性釋放方法進(jìn)行計算。慣性釋放是求解在平衡外力作用下，無約束或約束不足的結(jié)構(gòu)靜力或動力響應(yīng)問題的一種處理方法。簡單來說，就是用結(jié)構(gòu)的慣性力來平衡外力。用慣性釋放的方法構(gòu)造的力平衡方程[8]為

{F}+[M]{δ}=0(1)

式中：{F}為所有節(jié)點(diǎn)分量組成的節(jié)點(diǎn)外載荷向量；[M]為質(zhì)量矩陣；{δ}為所有節(jié)點(diǎn)加速度分量組成的節(jié)點(diǎn)加速度向量。

慣性釋放有兩種方法：INREL,-1與INREL,-2。其中：INREL,-1是自行定義1個Support點(diǎn)作為位移參考點(diǎn)，該點(diǎn)的支座反力為零，由于液艙艙體左右對稱，本節(jié)中選取液艙底部y=0的某點(diǎn)作為參考點(diǎn)；INREL,-2則沒有固定的參考點(diǎn)，它按照結(jié)構(gòu)質(zhì)量加權(quán)平均位移為零的準(zhǔn)則進(jìn)行位移計算。下文分別用這兩種方法進(jìn)行液艙整體吊裝的模擬分析，結(jié)果如下：

圖6 液艙應(yīng)力云圖(慣性釋放法)

圖7 FR 115處的應(yīng)力云圖(慣性釋放法)

從圖6可以看出，兩種算法的計算結(jié)果幾乎完全一致，在吊碼附近及吊碼下方的應(yīng)力值較大，最大應(yīng)力值為60.7MPa，位于115號肋位右舷的吊碼下方。最大應(yīng)力點(diǎn)的橫剖面云圖如圖7 所示，在圖7中兩種算法計算的應(yīng)力分布與應(yīng)力大小相同。本節(jié)計算的液艙應(yīng)力情況與直接加載法計算的值相差不大，但從原理上來講，因?yàn)椴淮嬖谶吔鐥l件的支反力問題，慣性釋放計算所得的值更加精確。

慣性釋放的兩種方式計算的外板變形云圖相差較大，如圖8所示。INREL,-1計算的變形云圖左右相差較大；INREL,-2計算的變形云圖左右基本對稱。INREL,-1計算的外板變形最大值為4.11mm；INREL,-2計算的外板變形最大值為3.29mm。這是因?yàn)镮NREL,-1的結(jié)構(gòu)位移以約束節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)，而INREL,-2的結(jié)構(gòu)位移以幾何中心為基準(zhǔn)，位移的參考點(diǎn)不同，得到的變形結(jié)果不同。在圖8中最大變形位置在吊碼附近，底部變形較小，與直接加載法的計算結(jié)果反差較大，這是因?yàn)閼T性釋放法計算的變形是相對變形。所以，在進(jìn)行吊裝過程中結(jié)構(gòu)的變形分析時，采用直接加載法得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

圖8 外板變形云圖(慣性釋放法)

3 結(jié) 論

通過建立超大型全冷液化氣船84 000 m3VLGC的3號液艙有限元模型，分別用直接加載與慣性釋放兩種方法計算超大型菱形液艙在整體吊裝過程中引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，總結(jié)如下：

(1) 粗網(wǎng)格計算的應(yīng)力應(yīng)變值符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，精細(xì)結(jié)果需要進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格分析；

(2) 慣性釋放的兩種計算方式在計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力時幾乎完全一樣，而在計算結(jié)構(gòu)變形時產(chǎn)生較大差別；

(3) 慣性釋放法和直接加載法都可以進(jìn)行吊裝過程結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計算，從理論上來講，慣性釋放法計算的結(jié)果更為精確；

(4) 慣性釋放法在計算吊裝過程的結(jié)構(gòu)變形時得到的是相對變形，與實(shí)際吊裝過程的變形結(jié)果相差較大，因此在計算吊裝過程的結(jié)構(gòu)變形時，應(yīng)采用直接加載法。